2.3.1 Khái niệm
OPC là 1 chuẩn giao tiếp dữ liệu giữa các phần mềm, theo cơ chế client-sever, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để đảm bảo tính linh hoạt và tương thích giữa các thành phần (có xuất xứ từ nhiều nhà sản xuất khác nhau). Một trong những phiên bản mới nhất của OPC là OPC UA (kiến trúc hợp nhất) là giao thức đa nền tảng cho giao tiếp giữa máy với máy như tiếng Anh và mặt khác phiên bản cũ hơn của OPC là OPC DA (truy cập dữ liệu) không tương thích với đa nền tảng. Do mục đích của hệ thống cần truy cập dữ liệu từ client nên với đề tài này nhóm sử dụng OPC DA làm phương thức truyền thông từ Client đến máy chủ (KepServer).
Giao thức OPC DA (giao thức truy cập dữ liệu) là giao thức cơ bản nhất của OPC. OPC DA giải quyết các vấn đề về sự phù hợp dữ liệu giữa các nền tảng khác nhau và giảm chi phí phát triển và bảo trì phần mềm. Cách biểu thị dữ liệu cho DA được hoạt động bằng cách đầu tiên giá trị tức thời là chính dữ liệu cùng với tên đi kèm và thông tin khác đi kèm với nó, sau đó cung cấp chính xác giá trị được đọc, thông tin liên quan đến tính hợp lệ của dữ liệu [7]
2.3.2 Nguyên lí hoạt động
Đặc tả OPC mô tả giao diện giữa máy khách và máy chủ, máy chủ và máy chủ, bao gồm quyền truy cập dữ liệu thời gian thực, giám sát các báo động và sự kiện, truy cập dữ liệu lịch sử và các ứng dụng khác.
Kịch bản kết nối OPC cổ điển là một kết nối máy chủ-máy khách trên một máy tính, ngoài ra cũng có các tuỳ chọn khác:
Kết nối máy khách OPC với một số máy chủ OPC. Đây được gọi là tập hợp OPC.
Kết nối máy khách OPC với OPC server qua mạng. Điều này có thể được thực hiện với đường hầm OPC.
Kết nối máy chủ OPC với máy chủ OPC khác để chia sẻ dữ liệu. Điều này được gọi là bắc cầu OPC.
OPC DataHub được thiết kế dành riêng cho tất cả các tác vụ này. Một sự kết hợp giữa OPC server và máy khách OPC hỗ trợ nhiều kết nối. Do đó, nó có thể kết nối với nhiều máy chủ OPC cùng lúc để tổng hợp và bắc cầu OPC. Hai OPC DataHub có thể phản ánh dữ liệu qua mạng TCP để cung cấp đường hầm OPC [7]
2.3.3 Lợi ích khi sử dụng tiêu chuẩn OPC
Giảm tải cho thiết bị phần cứng.
Tăng khả năng mở rộng của hệ thống.
Do máy chủ OPC, các ứng dụng khách không cần biết gì về chi tiết giao thức phần cứng.
Mặc dù thiết bị không cần phục vụ nhiều khách hàng, nhưng tuổi thọ của thiết bị tăng lên.
Khả năng tương tác (Unix/Linux và Windows - cả hai nền tảng đều được OPC
2.4 Kết luận chương
Chương này sẽ trình bày nội dung về các hệ thống phân loại có trên thị trường, cơ sở lý thuyết về PLC, xử lý ảnh dùng labview, truyền thông OPC, giao diện giám sát trên wincc, HMI của Labview… Qua chương này chúng ta đã nắm được rõ về phần lý thuyết và tất cả những kiến thức liên quan đến phần mềm để có thể tiến hành lập trình cho hệ thống của chúng ta, cụ thể hơn đó là kiến thức về lập trình PLC.
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
3.1 Tính toán và thiết kế phần cứng
Mô hình hệ thống với các sản phẩm là các phôi cấp hình hộp chữ nhật có kích thước bằng nhau và khối hộp để đựng các phôi cấp. Mục tiêu của hệ thống là có thể phân loại các sản phẩm khối hộp có kích thước 50x50x55(mm), hình dạng bề mặt giống nhau, nhận diện được sản phẩm bị sai so với hình dạng chuẩn.
Hình 3.2 Phôi sai màu sắc dùng để phân loại
Hình 3.3 Khối hộp để đựng phôi
Hệ thống có thể phân loại sản phẩm khi sản phẩm đựng vào khối hộp có kích thước 66x60x62(mm), khối hộp có sản phẩm bị sai màu sắc, hoặc khối hộp bị sai mã barcode. Từ đó xác định được lỗi của sản phẩm đạt chuẩn hay bị lỗi và tiến hành phân loại.
Sản phẩm bị sai màu sắc là sản phẩm đựng trong hộp khác với màu đạt chuẩn, cụ thể là sản phẩm khác với màu đỏ, sản phẩm bị sai mã barcode là sản phẩm có mã barcode bị nhăn, sai mã vạch, không thể nhận diện. Từ đó việc phân loại sản phẩm được chia làm 3 loại: sản phẩm sai mã barcode, sản phẩm sai màu sắc và sản phẩm đạt chuẩn.
Hình 3. 5 Sản phẩm đạt chuẩn
Việc đảm bảo phân loại sản phẩm chính xác cần đảm bảo:
- Băng tải đạt tốc độ ổn định để đảm bảo ít rung lắc nhất có thể khi vận hành.
- Sản phẩm là các hình hộp có kích thước chuẩn để bỏ vào hộp cho phù hợp.
- Việc phát hiện và kiểm tra barcode cần đảm bảo độ sáng tối ưu để camera cho hình ảnh tốt nhất.
3.2 Thiết kế hệ thống 3.2.1 Quy trình công nghệ 3.2.1 Quy trình công nghệ
Yêu cầu công nghệ:
Sử dụng PLC S7 – 1200 để lập trình và điều khiển hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng xử lí ảnh.
Gồm 3 sản phẩm:
Sản phẩm đạt chuẩn: đúng mã Barcode và đúng màu sắc (màu đỏ)
Sản phẩm sai mã Barcode: đúng màu sắc (màu đỏ) và sai mã Barcode
Sản phẩm sai màu sắc: đúng mã Barcode và sai màu sắc (màu vàng) Quy trình hệ thống:
Hình 3.6 Quy trình công nghệ hệ thống 3.2.2 Sơ đồ khối của hệ thống
Hình 3.7 Sơ đồ khối của hệ thống
- Khối nguồn: cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống - Nút nhấn, ngõ vào ra tác động:
+ Ngõ vào gồm nút nhấn để tác động vào hệ thống hoạt động, dừng, dừng khẩn cấp, cảm biến quang giúp phát hiện sản phẩm đến hành trình hay chưa. + Ngõ ra đèn bảo hiệu trạng thái hệ thống, van khí nén để điều khiển xilanh khí nén.
- Tín hiệu hình ảnh từ camera: truyền hình ảnh từ camera đến labview
- Khối xử lý Labview: thu nhận hình ảnh, xử lý ảnh màu sắc sản phẩm và quét barcode gửi tín hiệu về PLC.
- Khối xử lý PLC:
+ Thu nhận tín hiệu nút nhấn, cảm biến tác động vào ngõ ra động cơ, đèn, xilanh hệ thống
+ Thu nhận tín hiệu từ Labview để xác định sản phẩm thuộc loại nào. + Gửi tín hiệu về Labview và Wincc
- Giao diện giám sát Wincc: nhận tín hiệu từ PLC, hiển thị lên giao diện được thiết kế giám sát.
3.3 Bảng phân công đầu ra đầu vào
Tên Địa chỉ Start I0.0 Stop I0.1 E_Stop I0.2 CB 1 I0.3 CB 2 I0.4 CB 3 I0.5 Reset I0.6 Động cơ băng tải Q0.0
Xy lanh 1 Q0.1 Xy lanh 2 Q0.2 Đèn xanh Q0.3 Đèn đỏ Q0.4
3.4 Tổng quan phần cứng 3.4.1 PLC 3.4.1 PLC
PLC là từ viết tắt của “Programmable logic controller” được dịch sang tiếng việt là bộ điều khiển logic khả trình, hay được gọi là bộ điều khiển lập trình. PLC cho phép sử dụng linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình để thực hiện các sự kiện theo một quy trình. Trong thực tế, chúng ta có thể hiểu PLC như một cụm các relay được tập hợp, thu nhỏ lại và được nâng cấp, thông minh hơn (smart relay). Ngôn ngữ lập trình PLC rất phong phú và đa dạng, tuy nhiên phổ biến nhất là ladder, state logic, C.
PLC được nhiều hãng chế tạo, và mỗi hãng có nhiều họ khác nhau, và có nhiều phiên bản trong mỗi họ, chúng khác nhau về tính năng và giá thành, phù hợp với bài toán đơn giản hay phức tạp. Ngoài ra còn có các bộ ghép mở rộng cho phép ghép nhiều bộ PLC nhỏ để thực hiện các chức năng phức tạp, hay giao tiếp với máy tính tạo thành một mạng tích hợp, việc thực hiện theo dõi, kiểm tra, điều khiển một quá trình công nghệ phức tạp hay toàn bộ một phân xưởng sản xuất. [8]
a. Cấu tạo của PLC
Hình 3.8 Cấu tạo của PLC
Trái tim của hệ thống PLC là CPU (Central Processing Unit “Bộ xử lý trung tâm”). Nó được tạo thành từ một thành phần điều khiển và bộ xử lý. Bộ điều khiển CPU quản lý sự tương tác giữa các thành phần phần cứng
PLC khác nhau trong khi bộ xử lý CPU xử lý tất cả việc xử lý số và thực thi chương trình (ví dụ: ladder logic).
Luồng dữ liệu là từ các thiết bị đầu vào (input devices), qua bộ xử lý CPU (CPU processor) và sau đó đến các thiết bị đầu ra (output devices). Bộ xử lý CPU cũng trao đổi dữ liệu với chương trình và bộ nhớ dữ liệu (program & data memory). Khi tất cả dữ liệu được thu thập, chương trình được xử lý theo kiểu tuần hoàn. Dữ liệu kết quả xuất đến giao diện đầu ra để điều chỉnh và thực thi điều khiển các thiết bị đầu ra.
CPU cũng kiểm soát và trao đổi dữ liệu với giao diện truyền thông (communication interface) và các thiết bị khác.
Một hệ thống giải quyết (addressing system) được sử dụng để tổ chức dữ liệu được chia sẻ giữa các thành phần phần cứng khác nhau.
Một thiết bị đầu cuối lập trình (programming terminal) được sử dụng để viết chương trình PLC, tải chương trình vào bộ điều khiển và giám sát/điều khiển PLC và chương trình của nó.
Bộ nguồn (power supply) chịu trách nhiệm cung cấp và quản lý các yêu cầu năng lượng cho các thành phần phần cứng PLC khác nhau.
b. Nguyên lí hoạt động
PLC nhận thông tin từ các cảm biến được kết nối hoặc thiết bị đầu vào, xử lí dữ liệu và kích hoạt đầu ra dựa trên các tham số được lập trình sẵn. Tùy thuộc vào đầu vào và đầu ra, PLC có thể giám sát và ghi lại dữ liệu thời gian chạy như năng suất máy hoặc nhiệt độ trong quá trình vận hành, tự động khởi động và dừng quá trình, tạo báo động nếu máy gặp trục trặc và hơn thế nữa. Bộ điều khiển logic khả trình là một giải pháp điều khiển linh hoạt và mạnh mẽ, có thể thích ứng với hầu hết mọi ứng dụng. [8]
Hình 3.9 Nguyên lý hoạt động của PLC
c. Ưu nhược điểm của PLC
Ưu điểm:
PLC dễ dàng tạo luồng ra và chương trình PLC dễ dàng thay đổi và sửa chữa.
Các tín hiệu đưa ra từ bộ PLC có độ tin cậy cao hơn so với các tín hiệu được cấp từ bộ điều khiển bằng rơle.
Phần mềm lập trình PLC dễ sử dụng
Không như máy tính, PLC có mục đích thực hiện nhanh các chức năng điều khiển, chứ không phải mang mục đích làm dụng cụ để thực hiện đa chức năng.
Thực hiện nối trực tiếp.
Dễ dàng nối mạch và thiết lập hệ thống.
Tuổi thọ là bán- vĩnh cửu: vì đây là hệ chuyển mạch không tiếp điểm nên độ tin cậy cao, tuổi thọ lâu hơn so với rơle có tiếp điểm.
Nhược điểm:
Do chưa tiêu chuẩn hoá nên mỗi công ty sản xuất ra PLC đều đưa ra các ngôn ngữ lập trình khác nhau, dẫn đến thiếu tính thống nhất toàn cục về hợp thức hoá.
Trong các mạch điều khiển với quy mô nhỏ, giá của một bộ PLC đắt hơn khi sử dụng bằng phương pháp rơle.
d. Ứng dụng của PLC
Bộ lập trình PLC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành, nhiều lĩnh vực, nhiều loại máy móc như: máy in, máy đóng gói, máy đánh sợi, máy se chỉ, máy chế biến thực phẩm, máy cắt tốc độ cao, hệ thống phân bổ giám sát trong dây chuyền sản xuất, bơm, xử lý nước thải, giám sát năng lượng, hệ thống điện, dây chuyền đóng gói.
Dùng trong công nghệ điều khiển cánh tay robot: ví dụ như gắp phôi từ băng tải bỏ qua bàn gia công của máy CNC, hay điều khiển robot đưa đổ vật liệu vào băng tải, hoặc thực hiện các việc đóng hộp, dán tem nhãn…
Ngoài ra, người ta còn sử dụng PLC trong các ứng dụng giám sát các quá trình trong các nhà máy mạ, các dây chuyền lắp ráp linh kiện điện tử trong các nhà máy, dây chuyền kiểm tra chất lượng sản phẩm… bằng các công tắc hành trình hoặc các cảm biến.
3.4.2 Van khí nén a. Khái niệm a. Khái niệm
Trong lĩnh vực tự động cơ khí hóa, van khí nén dược sử dụng để tạo ra một dòng chảy tự động thông qua việc đóng và mở van. Van khí nén (pneumatic valve) sử dụng khí nén làm cho nó mở hoặc đóng khi nén hoặc giải phóng. Cho dù nó mở hay đóng phụ thuộc vào thiết kế cơ khí của van cụ thể trong ứng dụng sử dụng nó.
b. Phân loại
Cấu tạo của van 3/2 tương đối giống 2/2 khi có thân van và coil điện. Thân van sẽ có 2 vị trí truyền động và 3 cửa: cửa cấp khí nén vào, cửa khí nén làm việc, cửa xả khí nén.
Nguyên lí: Khi dòng điện được đi vào van, coil điện sinh ra từ trường tạo lực để tác động đến thân van làm đảo chiều. Cửa khí 1 của van sẽ thông với cửa số 2, cửa số 3 bị chặn lại và dòng khí đi qua cửa van số 1, lên cửa 2 và qua van. Khi ngắt điện, trong vòng 1-2s, van sẽ trở về trạng thái ban đầu.
Van 5/2
- Cấu tạo: 1 cửa đưa khí vào, 2 cửa khí xả, 2 cửa khí làm việc kết nối với 2 cửa khí xi lanh và 2 vị trí truyền động
Hình 3.10 Trước và sau khi cấp khí nén [9]
Nguyên lí: Ở trạng thái bình thường có nghĩa khí nén không được đi qua van, các cửa 1 thông cửa số 2, cửa số 3 đóng, cửa 4 thông với cửa số 5.
Khi cấp nguồn điện 12v, 24v hoặc 110v, 220v thì lập tức cửa 1 thông với cửa số 4, cửa số 2 thông với cửa số 3, cửa số 5 bị đóng, khí sẽ đi qua van đến xi lanh.
Với loại van 5/2 một đầu điện, khi ta cấp điện thì van sẽ đảo chiều, ngưng cấp thì van sẽ về nguyên trạng thái ban đầu. Với loại van điện từ khí nén 5/2 có hai đầu điện thì khi ta cấp điện ở 1 đầu, ty xilanh sẽ đi ra. Nếu cấp điện ở đầu số 2, ty của xi lanh khí sẽ rút về nhanh chóng.
3.4.3 Bộ xử lý trung tâm
Lựa chọn PLC là tối ưu nhất với hệ thống cho việc lập trình điều khiển, giám sát hệ thống chính xác và hiệu quả. Bộ điều khiển PLC có rất nhiều hãng phải nói đến như dòng Mitsubishi, Rockwell, Siemens, … Đối với dòng siemens thì cũng có rất nhiều loại phải kể đến như S7-200, S7-300, S7-400, S7-1200, S7-1500.
Với đề tài này, nhóm sử dụng 4 nút nhấn, 3 cảm biến quang, 5 relay tương ứng cho động cơ, đèn báo tín hiệu, van khí nén.
3.4.4 Nguồn cấp cho hệ thống
Các thiết bị trong hệ thống sử dụng nguồn 24VDC để hoạt động, tuy nhiên điện sử dụng là điện lưới 220VAC. Do PLC, động cơ giảm tốc, đèn tín hiệu sử dụng trong hệ thống đều là 24VDC nên nhóm sử dụng nguồn tổ ong 24VDC 5A cấp cho hệ thống hoạt động.
Hình 3.12 Nguồn tổ ong 24V 5A
Bảng 3. 1 Thông số kỹ thuật của PLC S7-1212C DC/DC/DC
Thông số kỹ thuật
Nguồn cấp 20.4-28.8VDC Số lượng ngõ vào 8 (DI) Số lượng ngõ ra 6 (DO) Số ngõ vào Analog Input 2 (AI) Giao tiếp truyền thông Ethernet Bộ nhớ dữ liệu 75 Kb
Bảng 3. 2 Thông số kỹ thuật của nguồn tổ ong 24V 5A Thông số kỹ thuật Nguồn cấp 110 - 220VAC Tần số 50-60 (Hz) Nguồn ra 24V Dòng ra 5A Công suất 120W
3.4.5 Động cơ băng tải
Trong mô hình, vì sử dụng truyền động băng tải dây đai và không yêu cầu tải trọng lớn nên không cần động cơ có công suất lớn. Với yêu cầu khá đơn giản của băng tải như là :
- Băng tải chạy liên tục, có thể dừng khi cần.
- Không đòi hỏi độ chính xác, tải trọng băng tải nhẹ.